為摸清不同進(jìn)料方式的燃燒器對生物質(zhì)成型燃料燃燒后顆粒物排放的影響，該文對上進(jìn)料式（A型）、水平進(jìn)料式（B型）和下進(jìn)料式（C型）等3種類型的燃燒器進(jìn)行燃燒顆粒排放試驗，采用低壓電子沖擊儀對玉米秸稈、棉稈、木質(zhì)3種成型燃料燃燒后顆粒物排放開展數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度研究，并計算出每種燃料在3種燃燒器中每秒排放的顆粒物數(shù)量和質(zhì)量分布。試驗結(jié)果表明：3種燃燒器中的顆粒物質(zhì)量分布都成雙峰分布，主要集中在5～7級和12級，占總顆粒物質(zhì)量的90%；木質(zhì)和棉桿燃料在A型燃燒器中的顆粒物質(zhì)量排放最少，玉米秸稈燃料在B型中顆粒物質(zhì)量最少。3種燃燒器中的顆粒物數(shù)量分布都成單峰分布玉米秸稈和木質(zhì)在B型燃燒器上的顆粒物數(shù)量主要集中在1～5級，在A型和C型燃燒器上顆粒物數(shù)量主要集中在3～6級；棉桿在C型燃燒器上集中在1～5級，在A型和B型燃燒器上顆粒物數(shù)量主要集中在3～6級。3種燃燒器對顆粒物質(zhì)量的分布影響不大。根據(jù)試驗結(jié)果，建議不同的燃料匹配不同的燃燒器。從顆粒物排放總量角度，玉米秸稈應(yīng)該匹配B型燃燒器，棉桿和木質(zhì)燃料應(yīng)該匹配A型燃燒器。從PM2.5所占比例得出，玉米秸稈燃料應(yīng)匹配C型燃燒器，棉桿匹配B型燃燒器，木質(zhì)匹配A型燃燒器。并建議生物質(zhì)成型燃料燃燒器結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下特點：進(jìn)料連續(xù)平穩(wěn)；帶有主動清渣裝置并且清渣波動小；鼓風(fēng)配風(fēng)，保證過量空氣系數(shù)高。研究結(jié)果為中國生物質(zhì)固體成型燃料的顆粒物排放法規(guī)的制定提供參考。

　　生物質(zhì)固體成型燃料是通過專門設(shè)備將木屑，秸稈、稻殼等農(nóng)業(yè)廢棄物壓縮成特定形狀來增加其密度的固體燃料，可替代煤炭等化石燃料用于炊事、供暖、發(fā)電等能源消耗[1-3]。生物質(zhì)成型燃料的應(yīng)用，不僅能充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物，避免資源浪費，而且減少了大量燃燒煤炭和焚燒農(nóng)業(yè)秸稈所造成的空氣污染。經(jīng)過多年研究，生物質(zhì)燃燒器也得到迅速發(fā)展，尤其在瑞典、奧地利等國家，可實現(xiàn)高效、自動化運(yùn)行。目前按照進(jìn)料方式，可分為上進(jìn)料式、水平進(jìn)料式和下進(jìn)料式[4-6]。上進(jìn)料式燃燒器與料倉分離，回火危險小；可根據(jù)功率要求保證精確定量進(jìn)料，但下落顆粒會引起燃燒波動，燃燒不穩(wěn)定。水平進(jìn)料式燃燒器和下進(jìn)料式燃燒器，燃燒波浪小，燃燒過程連續(xù)、穩(wěn)定，但有回火危險[7]。

　　隨著生物質(zhì)固體成型燃料的普及和燃燒器技術(shù)的成熟與提高，生物質(zhì)成型燃料燃燒后的顆粒物排放又逐漸成為人們研究的課題。空氣中的顆粒物是引起天空陰霾和空氣可見度低的主要原因，尤其是顆粒物中空氣動力學(xué)直徑小于2.5μm的顆粒物（PM2.5），被人體吸入后，對人體健康危害極大[8-10]，各國對空氣中不同粒徑的顆粒物濃度有嚴(yán)格的限制[11-14]。因此，各國在不同生物質(zhì)燃燒設(shè)備上對成型燃料燃燒后產(chǎn)生的顆粒物粒徑分布規(guī)律以及PM2.5的含量展開了詳細(xì)研究。

　　Ghafghazi等研究了固定床燃燒木質(zhì)后顆粒物排放情況[15]，Limousy等在一種12kW并且?guī)Щ厝冀Y(jié)構(gòu)的燃燒器上研究了咖啡渣燃燒后的顆粒物排放情況[16]，Meyer研究了幾種壁爐燃燒木質(zhì)燃料后顆粒物的排放情況[17]，但都未研究燃燒器結(jié)構(gòu)對顆粒物燃燒影響，而且也沒有對秸稈類生物質(zhì)成型燃料的顆粒物排放展開研究。

　　由于國外的生物質(zhì)固體成型燃料都是木質(zhì)燃料，其灰分低，不易結(jié)渣，國外與之配套的燃燒器沒有清渣裝置[3-4]。而中國的生物質(zhì)成型燃料以農(nóng)作物秸稈為主，灰分高、燃燒過程中容易結(jié)渣、堿金屬及氯腐蝕、設(shè)備內(nèi)積灰嚴(yán)重；因此中國生物質(zhì)燃燒器增加各種清渣裝置[18]。本文采用不同的生物質(zhì)成型燃料，在適合中國秸稈成型燃料的3種不同進(jìn)料方式的燃燒器上進(jìn)行試驗，研究了在不同進(jìn)料方式燃燒器的顆粒物數(shù)量分布、質(zhì)量分布狀況和PM2.5含量，并對比其常規(guī)排放性能。

01燃料與方法

1.1燃料

　　本試驗采用玉米秸稈、棉稈、木質(zhì)3種成型燃料，所用玉米秸稈和棉桿生物質(zhì)顆粒燃料于2013年1月在北京大興禮賢生物質(zhì)顆粒燃料公司生產(chǎn)，由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研制的485型生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)壓制而成，顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8mm，長度10～30mm；所用木質(zhì)顆粒燃料由天津市嘉海木業(yè)公司生產(chǎn)，直徑6mm，長度10～30mm；3種燃料的密度均在1.2～1.8g/cm3。3種生物質(zhì)顆粒燃料的工業(yè)分析、元素分析、熱值如表1。

1.2設(shè)備

　　1.2.1燃燒器

　　本試驗采用3種中國研發(fā)的燃燒器，分別為上進(jìn)料式燃燒器（A型），水平進(jìn)料式燃燒器（B型），下進(jìn)料燃燒器（C型），結(jié)構(gòu)見圖1所示。其中A型和B型燃燒器采用鼓風(fēng)配風(fēng)方式，C型燃燒器采用引風(fēng)配風(fēng)方式。A和C型燃燒器帶有單獨的清渣裝置，可實現(xiàn)主動清渣；B型燃燒器無單獨清渣裝置，其燃燒后的灰渣由新進(jìn)燃料推落。采用3種燃燒器可根據(jù)加熱需求增減進(jìn)料量、調(diào)整燃燒功率。3種燃燒器特點如表2。

　　1.2.2測試儀器

　　本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀ELPI（electricallowpressureimpactor）和SEMTECH測試儀，ELPI是芬蘭坦佩雷大學(xué)開發(fā)的用于實時測量氣溶膠粒徑分布的儀器，把10μm以下顆粒物分成12級，從0.003～10μm，如表3，能夠?qū)γ考壍念w粒數(shù)目和質(zhì)量進(jìn)行瞬態(tài)記錄[19]。SEMTECH為美國Sensors公司研發(fā)生產(chǎn)，可以測出廢氣各成分含量。

1.3參數(shù)和方法

　　1.3.1參數(shù)

　　試驗所測的參數(shù)為：

　　1）煙氣中CO、CO2、NOx、O2的常規(guī)成分含量。

　　2）不同粒徑顆粒物排放的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。顆粒物數(shù)量濃度：指在大氣壓力下在每平方厘米內(nèi)含顆粒物個數(shù)；顆粒物質(zhì)量濃度：指大氣壓力下在每平方米內(nèi)含顆粒物質(zhì)量。

　　1.3.2方法

　　燃燒器正常運(yùn)行后，在每種燃燒器分別燃燒玉米秸稈、棉桿、木質(zhì)3種生物質(zhì)成型燃料；分別在最大功率下，即：進(jìn)料量在6kg/h左右時，用ELPI和SEMTECH測試30min，實時記錄常規(guī)排放濃度和顆粒物不同粒徑按12個級別的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。

02結(jié)果與討論

2.1測試結(jié)果

　　3種生物質(zhì)固體成型燃料分別在3種不同結(jié)構(gòu)燃燒器上燃燒時，尾氣中各成分比例如表4；其排放顆粒物數(shù)量濃度分布如表5；排放顆粒物質(zhì)量濃度分布如表6。

2.23種燃料在3種燃燒器上顆粒物排放對比

　　2.2.1顆粒物數(shù)量分布

　　根據(jù)公式（1），算出3種生物質(zhì)成型燃料在A、B、C型燃燒器中燃燒的顆粒物數(shù)量分布如圖2所示。

　　由圖2看出，相同功率下，3種燃料在3種燃燒器上排放的顆粒物排放總數(shù)量呈現(xiàn)的結(jié)果都是：A型燃燒器＜B型燃燒器＜C型燃燒器。玉米秸稈在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總數(shù)量分別為2.21×1010、6.15×1010、4.09×1011。棉桿在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總數(shù)量分別為2.97×1010、5.16×1010、1.09×1012。木質(zhì)燃料在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總數(shù)量分別為1.06×1010、6.76×1010、4.25×1011。

　　其中玉米秸稈燃料（圖2a）的顆粒物數(shù)量分布都是單峰分布，在A和C型燃燒器中，顆粒物數(shù)量主要集中在3～6級（57～393nm），峰值都出現(xiàn)第4級。在B型燃燒器中，顆粒物數(shù)量主要集中在1～5級（7～255nm），峰值出現(xiàn)在第1級。

　　其中棉桿燃料（圖2b）的顆粒物數(shù)量分布也都是單峰分布，在A和B型燃燒器中，顆粒物數(shù)量主要集中在3～6級（57～393nm），A型峰值在第6級，B型峰值在第4級。而在C型燃燒器中，顆粒物數(shù)量主要集中在1～5級（7～255nm），峰值出現(xiàn)在第1級。棉桿燃料在B型和C型燃燒器中的顆粒物數(shù)量分布與玉米和木質(zhì)在B、C型上的分布趨勢相反，這是由于棉桿燃料的成分和生成顆粒物的成分與其他2種燃料的不同，含有難燃物質(zhì)多，細(xì)小顆粒物在排出過程中不能繼續(xù)燃盡。而C型燃燒器中爐膛溫度較低，使得顆粒物所帶能量低，排出過程中布朗運(yùn)動減少，不能碰撞形成大顆粒物，而在B型燃燒器中，爐膛溫度較高，布朗運(yùn)動增加，形成更多的積聚顆粒物。

　　其中木質(zhì)燃料（圖2c）的顆粒物數(shù)量分布仍都是單峰分布，在A和C型燃燒器中，顆粒物數(shù)量主要集中在3～6級（57～393nm），A型峰值在第4級，C型峰值在第5級。在B型燃燒器中，顆粒物數(shù)量主要集中在1～5級（7～255nm），峰值出現(xiàn)在第1級。

　　2.2.2顆粒物質(zhì)量分布

　　根據(jù)公式（2），算出3種生物質(zhì)成型燃料在A、B、C型燃燒器中燃燒的顆粒物數(shù)量分布如圖3。

　　由圖3中可知，3種燃料在3種燃燒器中的顆粒物質(zhì)量都是呈雙峰分布，而且都是在C型燃燒器中排放的顆粒物質(zhì)量最高，玉米燃料在B型燃燒器中排放顆粒物質(zhì)量最少，棉桿和木質(zhì)燃料在A型燃燒器排放的顆粒物質(zhì)量最少。玉米秸稈在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總質(zhì)量分別為396.9、249.6、6096.7μg。棉桿在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總質(zhì)量分別為343、840.8、2414μg。木質(zhì)燃料在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總質(zhì)量分別為226.8、293.4、9221.4μg。

　　玉米秸稈燃料在A型和C型燃燒器中顆粒物的質(zhì)量峰值在第7級（393～637nm）和第12級（4～10μm），在B型燃燒器中顆粒物質(zhì)量峰值在第6級（255～393nm）和第12級。經(jīng)過計算，在A、B、C型3種燃燒器中PM2.5（10級以下）分別占PM10顆粒物質(zhì)量的68.5%、70%、51%。

　　棉桿燃料在A型和B型燃燒器中顆粒物質(zhì)量峰值在第6級和第12級，在C型燃燒器上質(zhì)量峰值在5（165～255nm）級和12級。經(jīng)過計算在A、B、C型3種燃燒器中PM2.5分別占PM10顆粒物質(zhì)量的74.2%、66.9%、76.7%。

　　木質(zhì)燃料在A型和C型燃燒器中顆粒物的質(zhì)量峰值在第7級和第12級，在B型燃燒器中顆粒物質(zhì)量峰值在第6級和第12級。經(jīng)過計算，在A、B、C型3種燃燒器中PM2.5分別占PM10顆粒物質(zhì)量的61.8%、67.8%、68.1%。